Linux系统编程 —互斥量mutex

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Linux系统编程 —互斥量mutex

互斥量mutex

前文提到,系统中如果存在资源共享,线程间存在竞争,并且没有合理的同步机制的话,会出现数据混乱的现象。为了实现同步机制,Linux中提供了多种方式,其中一种方式为互斥锁mutex(也称之为互斥量)。

互斥量的具体实现方式为:每个线程在对共享资源操作前都尝试先加锁,成功加锁后才可以对共享资源进行读写操作,操作结束后解锁。

互斥量不是为了消除竞争,实际上,资源还是共享的,线程间也还是竞争的,只不过通过这种“锁”机制就将共享资源的访问变成互斥操作,也就是说一个线程操作这个资源时,其它线程无法操作它,从而消除与时间有关的错误。

从互斥量的实现机制我们可以看出,同一时刻,只能有一个线程持有该锁。如果有同时有多个线程持有该锁,那就没有实际意义了。

但是,这种锁机制不是强制的,互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”(又称“协同锁”),建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。

因此,即使有了mutex,其它线程如果不按照这种锁机制来访问共享数据的话,依然会造成数据混乱。所以为了避免这种情况,所有访问该共享资源的线程必须采用相同的锁机制。

主要应用函数:

​ pthread_mutex_init函数

​ pthread_mutex_destroy函数

​ pthread_mutex_lock函数

​ pthread_mutex_trylock函数

​ pthread_mutex_unlock函数

以上5个函数的返回值都是:成功返回0,失败返回错误号。

在Linux环境下,类型pthread_mutex_t其本质是一个结构体。但是为了简化理解,应用时可忽略其实现细节,简单当成整数看待。mutex一般以下面方式定义:

pthread_mutex_t mutex;

变量mutex只有两种取值1、0。

pthread_mutex_init函数

函数原型:

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t restrict mutex, const pthread_mutexattr_t
restrict attr);

函数作用:

初始化一个互斥锁(互斥量)mutex,初值可视为1;

参数介绍:

mutex:传出参数,调用时应传 &mutex给该函数;

这里有个关键字比较特殊:restrict。它的作用只用于限制指针,告诉编译器,所有修改该指针指向内存中内容的操作,只能通过本指针完成。不能通过除本指针以外的其他变量或指针修改。比如说,再定义个pthread_mutex_t的指针,将其赋值为mutex的值,想要用它来修改mutex所指向的内存,这是不允许的。

attr:互斥量属性。是一个传入参数,通常传NULL,表示使用默认属性(即:线程间共享)。

对于互斥量mutex的初始化有两种方式:

1. 静态初始化:

如果互斥锁 mutex 是静态分配的,即:定义为全局变量,或加了static关键字修饰,可以直接使用宏进行初始化。e.g. pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

2. 动态初始化:

如果互斥锁mutex定义为局部变量,则应采用动态初始化。e.g. pthread_mutex_init(&mutex, NULL)

pthread_mutex_destroy函数

函数原型:

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

函数作用:

销毁一个互斥锁

pthread_mutex_lock函数

函数原型:

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

函数作用:

对共享资源进行加锁。可理解为将mutex–(或-1);如果加锁不成功,则该线程将阻塞,直到持有该互斥量的其他线程解锁为止。注意:在访问共享资源前加锁,访问结束后立即解锁。锁的“粒度”应越小越好。

pthread_mutex_unlock函数

函数原型:

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

函数作用:

对共享资源解锁。可理解为将mutex ++(或+1);在解锁的同时,会将阻塞在该锁上的所有线程全部唤醒,至于哪个线程先被唤醒,取决于优先级、调度。默认情况下:先阻塞的线程会先被唤醒。

pthread_mutex_trylock函数

函数原型:

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

函数作用:

对共享资源尝试加锁。它与pthread_mutex_lock函数的区别是,使用lock函数对共享资源进行加锁时,如果加锁不成功,则线程就阻塞;而如果使用trylock,则加锁不成功时不会阻塞当前线程,而是立即返回一个值来描述互斥锁的状况。

死锁:

  1. 线程试图对同一个互斥量A加锁两次。
  2. 线程1拥有A锁,请求获得B锁;线程2拥有B锁,请求获得A锁
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
void *tfn(void *arg)
{
srand(time(NULL));
while(1) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
printf("hello ");           // 标准输出为共享资源
sleep(rand() % 3);          // 在此时会失去CPU
printf("world!\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(rand() % 3);
}
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t tid;
int n = 5;
srand(time(NULL));
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
while(n--) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
printf("HELLO ");
sleep(rand() % 3);
printf("WORLD!\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(rand() % 3);
}
pthread_cancel(tid);
pthread_join(tid, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}

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